基于PLC的齒輪淬火機(jī)床全自動上料機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

張 華 楊 川

（重慶機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402760）

1 背景介紹

齒輪是汽車重要的傳動部件之一，它具有傳動效率高、傳動比穩(wěn)定、工作可靠性高等特點。齒輪傳動對輪齒的強(qiáng)度、硬度、耐磨性等工藝要求較高，淬火是齒輪加工過程中必不可少的熱處理工序。齒輪淬火用齒輪淬火機(jī)床完成，目前淬火機(jī)床由人工上料，勞動強(qiáng)度大，一人操作一臺機(jī)床，效率低。人工上料已經(jīng)制約了企業(yè)生產(chǎn)，使企業(yè)生產(chǎn)成本上升。

基于上述原因企業(yè)提出了需求，設(shè)計一臺齒輪淬火機(jī)床全自動上料機(jī)。能與現(xiàn)有的齒輪淬火機(jī)床匹配，取代人工，讓一個人可以操作6至8臺機(jī)床，上料機(jī)的節(jié)拍能夠和齒輪淬火機(jī)床節(jié)拍匹配（1min加工10個），適應(yīng)多品種的齒輪生產(chǎn)（直徑60～120mm，厚度10～20mm），最后設(shè)備要穩(wěn)定可靠，便于操作。

本文從企業(yè)需求出發(fā)設(shè)計了齒輪淬火機(jī)床全自動上料機(jī)。除了能夠應(yīng)用于齒輪零件，還可用于鏈輪、齒圈等盤類零件。上料機(jī)主要由料倉系統(tǒng)、上料機(jī)械手兩大部分組成?？刂葡到y(tǒng)主要采用PLC為控制核心，觸摸屏做人機(jī)交互的設(shè)計。

2 機(jī)械系統(tǒng)

上料機(jī)主要由料倉系統(tǒng)、上料機(jī)械手兩大部分組成，如圖1所示。料倉系統(tǒng)由基座、轉(zhuǎn)盤、提升滑臺組成。上料機(jī)械手由滑臺氣缸、上下料氣缸、手爪氣缸組成，其中轉(zhuǎn)盤上有8個獨立的料倉，每個料倉放置工件的數(shù)量由工件的數(shù)量所決定。

圖1 上料機(jī)三維實體造型圖

上料機(jī)料倉系統(tǒng)轉(zhuǎn)盤由交流電機(jī)帶動凸輪分割器實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤精確定位。提升滑臺由直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠構(gòu)成，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，準(zhǔn)確提升工件到指定位置。上料機(jī)械手主要由氣動系統(tǒng)組成，由氣缸驅(qū)動，實現(xiàn)齒輪的準(zhǔn)確抓取。料倉的高度為450mm，淬火機(jī)床加工的齒輪厚度為10mm，料倉可盛放的工件數(shù)量為450/10=45，料倉系統(tǒng)總共可以容納的齒輪為45×8=360個。機(jī)床加工效率為6個/min，人工一次裝件可自動運(yùn)行的時間為360/6=60min。

3 工作過程原理

人工將一批齒輪裝入上料機(jī)轉(zhuǎn)盤當(dāng)中，啟動上料機(jī)，上料機(jī)自動將轉(zhuǎn)盤料倉中的齒輪一個一個放入淬火機(jī)床中，自動工作過程如圖2所示。

圖2 上料機(jī)工作過程圖

4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)組成

為了達(dá)到設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性、操作便捷等要求，選擇了以PLC為控制核心，使用HMI觸摸屏做人機(jī)交互設(shè)計來滿足上料機(jī)需求?？刂葡到y(tǒng)硬件如圖3所示，主要有HMI人機(jī)觸摸屏、PLC、對射傳感器、光纖傳感器、接近開關(guān)、磁性開關(guān)、按鈕、步進(jìn)電機(jī)、交流電機(jī)、指示燈與氣缸電磁閥。

圖3 控制系統(tǒng)硬件組成圖

4.2 PLC選型

根據(jù)企業(yè)維修人員對PLC的熟悉情況，在滿足設(shè)備控制需求的前提下，考慮到穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、售后服務(wù)等因素選用了臺達(dá)公司的DVP-ES2系列PLC為控制主機(jī)。上料機(jī)數(shù)字量輸入14個，步進(jìn)電機(jī)脈沖及方向輸出2個，數(shù)字量輸出4個?？紤]到后續(xù)的升級留取了備用口，選擇了臺達(dá)公司的DVP24ES200T型號，數(shù)字量輸入16個，輸出8個。

4.3 步進(jìn)電機(jī)選型

步進(jìn)電機(jī)主要用于驅(qū)動提升滑臺。提升滑臺為垂直安裝，使用滾珠絲杠傳動，絲杠導(dǎo)程為5mm。每組料倉高度容量為450mm，容納最大齒輪的直徑為Φ120mm。料倉最大提升齒輪的總質(zhì)量約為159kg，齒輪托盤為1kg，提升的最大質(zhì)量為160kg。伺服電機(jī)需要扭矩T=M×g×PB/2π=160kg×9.8m/s2×0.005mm/6.28=1.25N·m（M為提升負(fù)載質(zhì)量，G是重力加速度，PB為滾珠絲杠螺距）?？紤]到啟動加速過程和運(yùn)動過程的沖擊，將計算力矩提高2倍，即為2.5N·m。步進(jìn)電機(jī)型號確定為57BYG250H。

5 控制軟件設(shè)計

上料機(jī)控制軟件設(shè)計主要有兩部分，一部分是PLC控制程序設(shè)計，一部分是HMI觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計。

5.1 PLC程序設(shè)計

PLC程序使用臺達(dá)配套軟件DELTA WPLSoft編寫，主要由手動控制程序、自動運(yùn)行程序構(gòu)成，使用梯形圖和SFC圖結(jié)合編寫的方法編寫程序。核心部分自動運(yùn)行程序流程圖如圖4所示。

圖4 自動運(yùn)行程序流程圖

5.2 HMI程序設(shè)計

HMI選用的是威綸公司的TK6070IH觸摸屏，使用EasyBuilder8000軟件編寫畫面。主要由手動操作畫面、自動控制畫面、I/O查看畫面、報警畫面、幫助畫面等組成，圖5為手動操作畫面，每個畫面由狀態(tài)顯示區(qū)、按鈕操作區(qū)、主控按鈕區(qū)、窗口切換區(qū)等構(gòu)成。

圖5 手動操作畫面

6 結(jié)語

本文根據(jù)企業(yè)的實際需求，設(shè)計了針對齒輪淬火機(jī)床的全自動上料機(jī)，能夠與現(xiàn)有的齒輪淬火機(jī)床配合，節(jié)拍效率能穩(wěn)定在10件/min，能夠適應(yīng)多個品種的齒輪、鏈輪等盤類零件，穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性都達(dá)到企業(yè)的要求。

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